基于天气雷达估测降雨数据的节水灌溉系统设计与实现

王震洲 刘娟 梁军辉

摘要：农业用水在水资源的应用中占有很大比例，为节约农田灌溉用水，以满足农作物生长需求为前提，提出了一种基于天气雷达估测降雨技术的农田灌溉方法。结合概念模型预报技术和交叉相关法，对降雨进行临近预报，利用未来时间的降雨量对农田作物的需水量进行合理补充，并通过检测装置获取土壤含水量，计算出农田需水量，实现对检测区域作物的定量灌溉。系统试运行结果显示，在短时间内，采用天气雷达估测技术预测的结果与地面雨量计观测的降水结果在误差允许的范围内保持一致，验证了方法的准确性。该技术方案将天气雷达估测降雨技术与数据采集技术相结合，利用现代农业科学技术及设备，充分应用了自然降雨资源，在现有的农业技术水平基础上，既满足了农作物自身的生长需求，又避免了过量灌溉等问题，对中国水资源在农田灌溉中的合理应用有着一定的指导意义。

关键词：农田水利；天气雷达；降雨；节水灌溉；土壤水分；传感器

中图分类号：TP274文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01011

Design and implementation of water saving irrigation system based on weather radar to estimate rainfall data

WANG Zhenzhou1， LIU Juan1， LIANG Junhui2

（1.School of Information Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018，China；2. Logistics Group， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract： The agricultural water occupies a great proportion in the application of water resources. To save the irrigation water， crop growth needs as the premise， a kind of irrigation method for rainfall estimation based on weather radar technology is put forward. This method combines conceptual model forecasting technology and cross method for rainfall nowcasting using future time rainfall as reasonable supplement for water requirement of the crop， and the detection device for acquiring soil moisture， the farmland water demand is calculated， and the quantitative detection of crop irrigation area is realized. The trial operation results of this system show that in a short period of time， the weather radar technique for estimating the prediction results and surface rain gauge observations precipitation is consistent within the allowable error， verifying the accuracy of the method. The weather radar rainfall estimation technology and data acquisition technology combined with modern agricultural science and technology and equipment， making full use of the natural resources in the rain， on the basis of the existing agricultural technology level， can meet the growing demand of the crop itself and avoid excessive irrigation and other issues， providing an important guiding significance for rational use of water resources in irrigation in china.

Keywords：irrigation and water conservancy；weather radar； rainfall； watersaving irrigation； soil moisture； sensor

中國水资源严重不足，农业用水却占了很大的比例，据相关数据显示，水资源中的92%用于农田灌溉[1]。中国的农田灌溉虽然在智能化、低成本的灌溉装备上有了很大程度的突破，但结合天气雷达估测降水进行适量灌溉的技术却处于研究的初级阶段。将天气雷达与农田水分采集装置结合，预报地区降水，客观分析土壤墒情，按需给水，有效地避免了由于重复灌溉造成水资源的浪费问题。

1方案设计

基于天气雷达估测降雨数据的节水灌溉系统的设计从土壤水分的采集以及降雨的预报两方面进行研究，最终通过灌溉决策分析得出灌溉的时间以及水量。数据采集结构主要是根据土壤水分传感器来获取土壤水分，判断土壤目前阶段所处的干旱状态；降雨临近预报可以对降雨信息进行有效的把控，包括降雨的产生、发展和结束。

本文主要采取交叉相关法和概念模型预报技术对降雨进行临近预报，预测未来一段时间内的降水情况。根据土壤水分以及未来时间段内降水情况，分析出需灌溉的水量。节水灌溉架构设计如图1所示。

2天气雷达降雨预报技术

天气雷达[2]多为脉冲雷达，以一定的仰角重复频率发射出持续时间很短的脉冲波，脉冲波经过目标物散射后返回雷达，得到反射率因子，将天气雷达的反射率因子转换成等价的垂直液态水总量[3]，判断出降水潜力。在天气雷达预报中，采用由JSOE等建立的概念模型技术，模型中需输入降雨量以及垂直累积液态水（VIL）2个变量，即可完成降雨的临近预报，并与交叉相关法相结合，确定降雨移动方向。本文主要对天气雷达法估测降雨技术、垂直累积液态水（VIL）含量获取技术以及交叉相关法、概念模型预报技术[4]等进行简单介绍。

2.1天气雷达估测降雨技术

估测地区降雨是天气雷达最重要的功能之一，天气雷达利用返回电磁波的功率强度来判断目标物的回波强度，估计降雨量。利用雷达回波估测降水的方法有很多，其中主要包括：ZR关系法[5]、标准目标法、衰减法、正交偏移法、双波长法、极化法和雷达雨量计联合估测法等。雷达定量测量降水最常用的是ZR关系法，即应用雷达气象方程由测得的回波功率算出雷达反射率因子Z值，利用ZR关系获取降雨量。

2.1.1反射率因子

雷达以一定的仰角进行扫描，遇到障碍物进行反射，将单位体积内的所有粒子雷达截面之和定义为雷达反射率因子：

其中Di为粒子直径。

2.1.2最优ZR变换

天气雷达测量的是有效照射体内降水粒子反射率因子，该值大小与降水量存在一定的关系：

为提高天气雷达估测降雨的精度，首先需要对雨量计数据进行分析，找到适合当前地区统一类型降雨的雷达反射率因子Z与降雨强度R的关系，利用两者之间的关系，将天气雷达获得的反射率转化为降雨量，从而得到降雨量以及降雨时间。

最优方法的实质就是假设ZR之间的关系，通过把各个点的雷达估算值Ri和雨量计实测值Gi代入到判别函数CTF[6]中，使得判别函数出现最小值，以提高雷达估测降雨的精度。

2.2垂直累积液态水

垂直累积液态水简称为VIL，当底面积明确后，顺延底面积的柱体所包含的水含量即垂直累积液态水。其在判断降水等方面的作用极为突出，所以视为预测灾害天气的有效工具。在这里假设降雨分布均匀，雨滴谱的分布为 MP 分布，则单位体积内所有雨滴的质量 M 可以写为

天气雷达数据中包括不同仰角下的单位体积内雨滴的质量，需要首先提取出数据，将不同仰角下的VIL数据进行累加，最终得到区域总体的VIL雨量数据。

2.3交叉相关法

交叉相关法[710]在天气雷达中主要用于预测降雨的移动方向，主要将回波图划分为多个图像子集，计算2幅图片的最佳匹配区域，根据2幅图片的位置以及2幅图片的时间间隔，确定图像子集的移动方向和移动速度，并进行分析，做出方向预报推测。

2.4概念模型预报技术

该模型与降雨量和垂直液态水2个要素相关联，需要在模型中输入这2个要素，即可预报未来时间段内的降雨量[1112]。降雨量的获取采用天气雷达估测降雨技术。

降雨中主要水分来源于大气，可以将大气分割成若干个垂直于地面的柱体，每个柱体中包含许多水分，在天气雷达观测过程中，雷達数据按照地区可以划分为多个格点数据，这里将视为若干个的柱体，则空气柱中的水分VIL可以表示为

式中：S（t）为单位时间内柱体中的含有水分；P（t）为单位时间内降雨强度。

确定时间段内的水分源S（t）：

空气柱可以将VIL转化为降雨，转换的时间称为响应时间，响应时间在一个预测周期内保持不变。可得下列关系式：

垂直累积液态水VIL和降雨强度P之间存在一定的关系：

将式（10）与式（11）联立，可得到（t+dt）时刻的降水强度。根据未来一段时间内的降水情况来判断是否需要适时地为地区进行灌溉，保证农作物处于最优的生长环境。

3数据采集结构

数据采集结构是节水灌溉技术的重要组成单元，具有传感器模块、采集模块等，由电源供应模块统一供电，数据采集结构如图2所示。

3.1传感器模块

数据采集单元中的传感器模块主要采用土壤传感器测量土壤含水量。目前测量土壤水分的方法有很多，常见的测量方法有时域反射法（TDR）、石膏法、红外遥感法等[1315]。土壤水分传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关系计算出土壤的含水量。

3.2采集模块

采集模块主要是通过内部的处理器读取传感器的数据，通过传感器传送来的数据信息进行采样，并送入A/D转换器中转变为数字信号，并将该信号送到存储器中，当存储器中的数据到达一定数目时，由处理器将数据从存储器中读取，通过GPRS将数据传送到灌溉决策分析中心，其中处理器采用的是STM32F103C8T6型号单片机[1620]。

4数据决策分析

数据决策分析主要采用土壤湿度法，即根据作物的需求量以及土壤供水之间的关系，在作物各生育阶段制定出几个不同水平的土壤湿度下限，当土壤湿度接近下限时，结合天气雷达预报降雨数据，根据土壤水分墒情，合理灌溉，保证作物产量。在实验中，土壤水分含量达到作物需水下限时，根据估测降水的时间、降水量等要素，需对作物在这段时间内蒸腾量损失进行灌溉补充，在保证适度干旱未影响作物生长的情况下，采用预报降水量对土壤水分的缺失部分进行合理补充。以小麦作为研究对象，土壤水分下限如表1所示。

5灌溉系統监控中心

远程监控平台主要是向用户展示检测区域、土壤水分、雷达回波估测降水、农田需灌溉水量、是否开启灌溉等多项信息。是否开启灌溉一列中，当用户选择开启灌溉时，则可以实现对相应地区定量的进行灌溉。该系统目前在石家庄行唐地区试运行，运行效果较为良好，大体上满足系统的建设需求。节水灌溉监控中心如图3所示。

6结语

采用天气雷达估测降雨技术，根据土壤水分墒情，适量地进行补充灌溉，能够在一定程度上节约降水资源。但是，由于估测降雨本身对准确性有较高要求，据实验结果表明，本方法还存在以下不足：1）应用交叉相关法和概念模型预报技术短时间内可以得到很好的预测结果，但随着预报时间的增长，预报准确性逐渐下降，目前最长的预报时间为30 min；2）应用最优化方法对天气雷达估测降雨的ZR关系进行优化，可以得到适合石家庄行唐地区的ZR关系参数取值范围，从对流云降水分析得出，A的取值为150～200，b的取值保持在1.5左右，采用最优化方法可以有效地从总体上降低估测误差，但是对于单个的极值点效果不够明显。后续工作可以在更多地域样本情况下对系统进行调优，以提高准确率。

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